DE102015204900A1

DE102015204900A1 - Kugelschwenkmodul und Verfahren zum Betreiben eines Kugelschwenkmoduls

Info

Publication number: DE102015204900A1
Application number: DE102015204900.0A
Authority: DE
Inventors: Florian Bäumer; Julian Stratmann
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2016-09-22

Abstract

Kugelschwenkmodul für eine Anhängerkupplung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem ersten Teil und einem gegenüber dem ersten Teil zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage bewegbaren zweiten Teil, wobei die Bewegung des zweiten Teils und/oder eine Ver- und/oder Entriegelung des zweiten Teils gegenüber dem ersten Teil durch wenigstens einen elektrischen Antrieb bewirkbar ist, wobei eine Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs unter Berücksichtigung eines Geschwindigkeitsgradienten vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kugelschwenkmodul für eine Anhängerkupplung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem ersten Teil und dem gegenüber dem ersten Teil zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage bewegbaren zweiten Teil, wobei die Bewegung des ersten Teils und/oder eine Ver- und/oder Entriegelung des zweiten Teils gegenüber dem ersten Teil durch wenigstens einen elektrischen Antrieb bewirkbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Anhängerkupplung für das vorgenannte Kugelschwenkmodul, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kugelschwenkmoduls für eine Anhängerkupplung gemäß den Oberbegriffen der weiteren unabhängigen Ansprüche.
Aus dem Stand der Technik sind vollelektrisch schwenkbare Anhängerkupplungen bekannt, die halbautomatisch von einer Ruheposition in eine Betriebsposition schwenken. Nach Auslösen des Bedieners z. B. durch einen Tastendruck wird die Anhängerkupplung entriegelt, schwenkt elektromotorisch angetrieben, um schließlich in ihrer jeweiligen Endposition elektrisch verriegelt zu werden. In der EP 1 535 765 B1 wird eine derartige Anhängerkupplung offenbart.
Um eine vollelektrische Anhängerkupplung zu realisieren, sind Sicherheitsabfragen über die Endlagen bzw. auch den dazwischenliegenden Bereich erforderlich, damit die Endlagen selbst oder ein im Schwenkbereich befindliches Hindernis, wie beispielsweise eine Person, nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Auch soll eine Überlastung der Steuereinrichtung bzw. des elektrischen Antriebs vermieden werden, so dass nach Erreichen der Endlage bzw. bei Erreichen eines Hindernisses beispielsweise der elektrische Antrieb abgeschaltet wird.
In der EP 1 535 765 B1 wird hierzu ein Antriebsmotor mit Drehimpulszählung ohne Drehmomenterkennung eingesetzt. Bei Ausbleiben von Drehimpulsen, ggfs. innerhalb eines Zeitintervalls wird der Antriebsmotor abgeschaltet. Dieses kann von Nachteil sein, da der Antrieb für eine Anhängerkupplung insofern kräftig ausgelegt werden muss, als dass der Motor auch bei tiefen Temperaturen die Anhängerkupplung von der Ruheposition in die Betriebsposition und umgekehrt schwenken können muss. Das bedeutet aber, dass eine Abschaltung erst dann erfolgt, wenn die Endlage oder das Hindernis bereits erreicht ist. Gerade beim Hindernis im Schwenkbereich kann der Motor jedoch durch die späte Abschaltung schon überlastet sein oder aber ein leichtes Hindernis wie eine Person kann bereits in Mitleidenschaft gezogen worden sein.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine vollelektrische Anhängerkupplung mit Blick auf die im Stand der Technik genannten Nachteile zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Kugelschwenkmodul nach Anspruch 1, mittels einer Anhängerkupplung gem. Anspruch 10 sowie eines Verfahrens nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Ein Kugelschwenkmodul für eine Anhängerkupplung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, weist einen ersten Teil und einem gegenüber diesem ersten Teil bewegbaren zweiten Teil auf. Die Bewegung des zweiten Teils und/oder eine Ver- und/oder Entriegelung des zweiten Teils ist gegenüber dem ersten Teil durch wenigstens einen elektrischen Antrieb bewirkbar. Das Kugelschwenkmodul zeichnet sich dadurch aus, das eine Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs vorgesehen ist, welche einen Geschwindigkeitsgradienten des Antriebs berücksichtigt.
Bei einem Kugelschwenkmodul handelt es sich im Wesentlichen um ein Kugelgelenk, wie dieses auch aus dem Fahrwerksbereich bekannt ist. Ein Kugelgelenk weist zumindest eine Kugel mit einem daran angeschlossenen Zapfen, der mit seiner Kugel in einem Gehäuse dreh- bzw. schwenkbeweglich aufgenommen ist. Die Kugel kann dabei mit oder ohne Einsatz eines Schmiermittels in dem Gehäuse gleitbeweglich gelagert sein, jedoch kann zwischen der Kugel und dem Gehäuse auch eine Lagerschale beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere z. B. aus POM (Polyoxymethylen) bestehen. Wird hier von einem ersten und einem zweiten Teil gesprochen, so sind damit die Kugel bzw. der Kugelzapfen und das Gehäuse gemeint. Je nach Bauart des Kugelschwenkmoduls bzw. seinem Einsatzzweck beispielsweise für eine Anhängerkupplung kann das Gehäuse gegenüber dem Kugelzapfen schwenkbar sein, wenn der Kugelzapfen fahrzeugfest verankert ist. Alternativ kann aber auch das Gehäuse fahrzeugfest verbaut sein, so dass der Kugelzapfen den zweiten Teil bildet und gegenüber dem ersten Teil schwenkbar ist. Für eine Anhängerkupplung kann an dem bewegbaren zweiten Teil eine Kugelstange befestigt sein, die an ihrem äußersten Ende eine Kupplungskugel trägt. Diese Kupplungskugel bzw. die Kugelstange wird zum sicheren Betrieb in einer Betriebsposition benötigt. Dieses ist zumeist eine in Längsrichtung hinter dem Fahrzeug abragende Stellung, so dass eine Kupplungskugelaufnahme (auch Zugmaul oder Zugkupplung genannt) von einer Anhängerdeichsel auf die Kupplungskugel aufgesetzt und sicher befestigt werden kann. Wird die Anhängerkupplung nicht benötigt, so kann sie vorteilhafterweise in eine Ruheposition gebracht werden, die bevorzugt konstruktiv so ausgelegt ist, dass nach dem Verschwenken von der Betriebsposition in die Ruheposition die Kugelstange mit samt der Kupplungskugel in einen vom Heck des Fahrzeugs aus nicht sichtbaren Bereich z. B. zwischen Fahrzeugrückwand und Stoßfänger des Fahrzeugs verfahren wird.
Ist die Kugelstange beispielsweise kraft- oder formschlüssig mit dem zweiten Teil verbunden und der erste Teil fest an dem Fahrzeug angeordnet, so kann die Kugelstange von einer Betriebsposition in eine Ruheposition und umgekehrt bewegt werden. Je nach Ausgangsendlage kann somit entweder von der Betriebsposition in die Ruheposition oder umgekehrt verschwenkt werden, so dass von einer ersten Endlage in eine zweite Endlage bewegt werden kann.
Um diese Endlage gesichert für den Betrieb einhalten zu können, ist eine Verriegelung des zweiten Teils gegenüber dem ersten Teil notwendig. Bei dem Kugelschwenkmodul muss somit zwangsläufig das Gehäuse gegenüber dem Kugelzapfen bzw. der Kugelzapfen gegenüber dem Gehäuse verriegelt werden. Diese Verriegelung kann beispielsweise formschlüssig erfolgen, so dass in der ersten und auch in der zweiten Endlage eine betriebssichere Verriegelung ermöglicht wird. Sowohl die Bewegung des zweiten gegenüber dem ersten Teil, als auch eine Verriegelung der Teile zueinander, ist aus Komfort- oder Sicherheitsgründen vorteilhafter Weise über einen elektrischen Antrieb bewirkbar. Der elektrische Antrieb kann durch einen Elektromotor erfolgen, über eine Elektrohydraulik oder ggf. auch über eine Elektropneumatik. Die Art des Antriebs hängt dabei von den vorzusehenden Kräften ab, die für die Ver- bzw. Entriegelung und/oder den Antrieb von der einen Endlage in die andere Endlage je nach Einsatzzweck notwendig ist. Unter betriebssicher ist in diesem Zusammenhang eine Verriegelung zu verstehen, wenn diese Verriegelung den bei einer Anhängerkupplung auftretenden Betriebslasten stand hält (auf die Anhängerkupplung wirkende Zug-/Druck- und/oder Stützlasten durch den Anhänger).
Sowohl in den jeweiligen Endlagen als auch im Schwenkbereich zwischen diesen Endlagen muss der elektrische Antrieb einen sicheren Schwenkbetrieb bewerkstelligen. Es müssen zum einen somit Sicherheitsbedingung (Einklemmschutz) und die Funktionsfüllung (sicheres Schwenken und Erreichen der Endlagen) bewerkstelligt werden. Gerade der Einklemmschutz ist dabei von essentieller Bedeutung für eine vollautomatisch schwenkbare Anhängerkupplung. Um das Einklemmen von Gliedmaßen zu verhindern, als auch Sachbeschädigung an ortsfesten Gegenständen, die im Schwenkbereich liegen können (Garagentor, Hauswand) sollte die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs derart sensitiv arbeiten, dass unmittelbar bei Erreichen eines Hindernisses keine Kraft bzw. kein Drehmoment auf dem schwenkbaren Teil des Kugelschwenkmoduls bzw. der Anhängerkupplung liegt.
Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Drehmomentschwelle zum Abschalten des Antriebs besteht zusätzlich eine Temperaturabhängigkeit dahingehend, dass bei niederen Temperaturen ein innerhalb der schwenkbaren Anhängerkupplung eingesetztes Schmiermittel eine hohe Viskosität (Zähflüssigkeit) aufweist und damit die Schwenkbewegung mit abnehmender Temperatur schwergängiger wird. Somit muss die Drehmomentschwelle entsprechend hoch eingestellt sein bzw. deren Überschreiten zur Folge haben, dass bei Erreichen des Hindernisses zwangsläufig noch ein Antriebsmoment des Antriebs auf das Kugelschwenkmodul wirken muss. Der Antrieb wird erst deutlich nach Erreichen der Endlage abgeschaltet und nicht etwa bei Erreichen der Schwelle. Ohne eine Drehmomentschwelle muss der Antrieb zwangsläufig auch dann noch betrieben werden, wenn die eigentliche Endlage bereits erreicht ist, um davon ausgehen zu können, dass die Endlage auch sicher erreicht ist.
Ein unmittelbares Abschalten bei Erreichen eines Hindernisses als auch bei Erreichen der Endlagen lässt sich realisieren, indem die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs unter Berücksichtigung eines Geschwindigkeitsgradienten arbeitet.
Der Geschwindigkeitsgradient wird aus der Winkelgeschwindigkeit des Antriebsmotors pro Zeitintervall bestimmt. Dazu ist in dem Antrieb bzw. Motor ein Inkrementalgeber wie z. B. ein Drehzahlsensor vorgesehen. Die Messung der Zeit zwischen zwei Inkrementen lässt die Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit zu. Wird diese Winkelgeschwindigkeit abgeleitet erhält man die Beschleunigung des Antriebs (Ableitung der Winkelgeschwindigkeit über die Zeit gebildet (dv/dt).
Der Geschwindigkeitsgradient ist keine fixe Schwelle wie z. B. eine Drehmoment oder Stromschwelle. Wird das Kugelschwenkmodul angetrieben, wird die Steigung der Winkelgeschwindigkeit gegenüber einer festgelegten Zeit aufgenommen und ausgewertet. Trifft der angetriebene bzw. schwenkende Teil auf eine Endlage oder ein Hindernis steigt die Zeit zwischen zwei Inkrementen stark bzw. schlagartig an und die Winkelgeschwindigkeit nimmt deutlich ab. Aus der abnehmenden Winkelgeschwindigkeit ergibt sich bei deren Ableitung eine negative Beschleunigung. Die Beschleunigung wird jeweils mit der zulässigen Beschleunigung verglichen, die für den Motor und dem zugehörigen Bewegungsablauf gespeichert ist.
Der Geschwindigkeitsgradient wird während des Schwenk-/Entriegelungsvorgang zumindest in Intervallen errechnet. Der Vorteil besteht darin, dass unabhängig vom aktuellen Motorstromwert, also unabhängig von äußeren Einflüssen (wie beispielsweise tiefen Temperaturen), der Geschwindigkeitsgradientwert für die momentane Position des Kugelschwenkmoduls jeweils gleichen Wert besitzt. Dadurch kann der elektrische Antrieb über den gesamten Temperaturbereich mit seinem maximalen Drehmoment betrieben werden, ohne dass es bei geringen Temperaturen zum Stillstand der Schwenkeinheit kommt. Durch die Errechnung des Geschwindigkeitsgradienten ist daher eine Abschaltung des elektrischen Antriebs bereits möglich, bevor das maximale Motormoment erreicht wird. Mit anderen Worten muss der Motor nicht auch dann noch betrieben werden, wenn die Endlage bereits erreicht ist. Auch ein Hindernis kann sicher erkannt werden und der Motor wird unmittelbar bei Auftreffen auf das Hindernis abgeschaltet, da die Zeit für einen kompletten Schwenkvorgang noch nicht abgelaufen ist. Die Einklemmgefahr beispielsweise von Gliedmaßen ist dadurch massiv verringert. Zudem wird durch die frühzeitige Abschaltung bei Anfahren an ein mögliches Hindernis bzw. bei Endlagen im Schwenkbereich die mechanische Belastung des Kugelschwenkmoduls gegenüber einer Drehmoment gesteuerten Abschaltung verringert.
Es hat sich gezeigt, dass es ausreichend ist, wenn die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes den Geschwindigkeitsgradienten in Intervallen ermittelt, also dieser nicht permanent ermittelt werden muss. Dabei kann auch ein Gradient ermittelt werden, wenn der elektrische Antrieb nicht betrieben wird, beispielsweise um festzustellen, dass tatsächlich keine Bewegung des Kugelschwenkmoduls vorliegt und eine Belastung durch den elektrischen Antrieb ausgeschlossen werden kann. Vorteilhafterweise weist die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs eine Vergleichseinheit auf, um den von der Einrichtung ermittelten Geschwindigkeitsgradienten mit einer in der Vergleichseinheit gespeicherten Gradientwert – Kennlinie zu vergleichen.
Für die jeweilige Bauform des Kugelschwenkmoduls und insbesondere wenn eine Kugelstange mit Kupplungskugel an einem Teil des Kugelschwenkmoduls befestigt ist, kann die Kennlinie des elektrischen Antriebs bzw. Motors erfasst werden und als Geschwindigkeitsgradientwert – Kennlinie gespeichert werden. Insbesondere während des Betriebs des elektrischen Antriebes wird, wie vorgenannt, der Gradientwert in Intervallen ermittelt und mit der Kennlinie in der Vergleichseinheit verglichen. Da bei der Auslegung des Kugelschwenkmoduls für die jeweilige Anhängerkupplung bzw. Anwendung der maximale Motorstrom des elektrischen Antriebs bekannt ist, kann festgelegt werden, welches der maximal zulässige Strom für den elektrischen Antrieb ist, um diesen nicht zu überlasten.
Es ist bekannt, dass gerade beim Herausbewegen aus den Endlagen, insbesondere bei einer Schwenkeinheit nach Art eines Kugelgelenks, ein sogenanntes Losbrechmoment vorliegen kann bzw. durch den elektrischen Antrieb zu überwinden ist, und dass das Antriebsmoment somit nach Verlassen und bis zum Erreichen der jeweiligen Endlage niedriger liegt. Damit ist klar, dass die Steigung der Kennlinie des Motorstroms an sich, in diesen Bereichen höher liegen muss, als das im Schwenkbereich zwischen den Endlagen der Fall ist. Die Kennlinie des Motorstroms für sich wäre aber nur eine Schwelle, wie dieses auch bei der Drehmomentschwelle der Fall ist. Wird jedoch der Geschwindigkeitsgradientwert errechnet, so kann zu jeder Zeit bzw. zu den vorgesehenen Intervallen ein Vergleich des aktuell errechneten Wertes mit der Gradientwert – Kennlinie durchgeführt werden, um unmittelbar bei Erreichen des jeweils gespeicherten Wertes eine Unterbrechung, Abschaltung und/oder Richtungsumkehr des elektrischen Antriebes vorzunehmen. Diese Maßnahmen werden von der Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs durchgeführt und zwar jeweils bei Erreichen der Ver- und/oder Entriegelung oder wenigstens eine der Endlagen und im Schwenkbereich wenn ein Hindernis in diesem Bereich vorliegt. Alternativ kann auch eine Kombination der vorgenannten Maßnahmen durch die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes vorgenommen werden. So kann z. B. bei Erreichen eines Hindernisses der elektrische Antrieb zunächst unterbrochen oder abgeschaltet werden, um dann die Richtung des elektrischen Antriebes umzukehren. Nach der Richtungsumkehr kann das Kugelschwenkmodul somit die letzte bekannte sichere Position anfahren (Ruhe- oder Betriebsposition).
Wie zuvor bereits gesagt, besteht das Kugelschwenkmodul zumindest aus einem Gehäuse und einer darin schwenkbeweglich gelagerten Kugel bzw. einem Kugelzapfen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführung besteht der erste Teil aus dem Kugelzapfen und der zweite Teil aus dem Gehäuse. Der Kugelzapfen ist gegenüber der Karosserie festgelegt, und bei der Schwenkbewegung von der Betriebs- in die Ruheposition und umgekehrt (Endlagen) schwenkt das Gehäuse um den ortsfesten Kugelzapfen. Da der Anhängerhaken (auch Kugelstange genannt) mit dem Gehäuse (einstückig oder über eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung) verbunden ist, kann der Anhängerhaken um die Kugel schwenken.
Das Kugelschwenkmodul ist mit seinem Zapfen insbesondere mittels eines Anhängerkupplungsträgers mit der Karosserie verbunden. Vorzugsweise ist der Kugelzapfen direkt mit dem Anhängerkupplungsträger oder alternativ über einen Verbinder an diesen festgelegt. Der Anhängerkupplungsträger ist zumindest aus einem Querträger gebildet, wobei der Querträger z. B. aus einem Rohr bestehen kann. Das Querrohr ist mit der Karosserie entweder direkt verbunden, oder weist an seinen Enden Längsträger auf, die in etwa parallel zur Fahrtrichtung des Fahrzeuges ausgebildet und mit der Karosserie verbunden sind. Die Längsträger sind mit dem Querrohr durch ein stoffschlüssiges Verfahren z. B. Schweißen verbunden. Es kann die Verbindung allerdings auch als Schraubverbindung ausgeführt sein. Insbesondere ist das Querrohr aus zwei ineinandergesteckten Rohren gebildet, wobei die Rohre über eine kraftschlüssige Verbindung verbunden sind und somit das Querrohr in der Länge bzw. Breite variable gestaltet ist. So kann der Querträger mit seinen Längsträgern auf verschiedene Fahrzeuge mit verschiedenen Breiten eingestellt werden. Die Längsträger können wiederum mit der Karosserie stoffschlüssig oder auch formschlüssig mittels einer Schraubverbindung festgelegt sein.
In einer weiteren vorteilhafteren Ausführungsform ist der zweite Teil gegenüber dem ersten Teil durch eine überlagerte Dreh- und Kippbewegung schwenkbar. Diese Überlagerungsbewegung hat gegenüber einer Anhängerkupplung, welche sich nur um eine Achse dreht, den Vorteil, dass sie einen kleineren Schwenkraum für den Anhängerhaken benötigt, was im Endeffekt Bauraumvorteile bietet. Die Überlagerungsbewegung kann mittels einer Zwangsführung erzielt werden, wobei an der Kugel des Kugelzapfens eine nichtebene Regelfläche vorgesehen sein kann, welche mit einem an dem Gehäuse des Kugelschwenkmoduls vorgesehenen Element zusammenwirkt bzw. in Wirkverbindung steht. Wird bei dem Kugelschwenkmodul ein Verschlussring eingesetzt, so kann dieser Verschlussring eine Ausnehmung aufweisen, die so ausgebildet ist, dass diese im Einklang mit der nichtebenen Regelfläche die überlagerte Dreh- und Kippbewegung zulässt. Mit anderen Worten ist der Verschlussring dort ausgenommen bzw. ausgespart wo eine von der Drehachse (Längsachse des Kugelzapfens) abweichende Kippachse vorgesehen ist. Durch die überlagerte Dreh-Kippbewegung wird ausgehend von der ersten oder zweiten Endlage (Betriebsposition, Ruheposition) zunächst nur um die Längsachse des Kugelzapfens geschwenkt. Im Weiteren wird in Abhängigkeit von der zuvor beschriebenen nichtebenen Regelfläche bzw. der Ausnehmung in dem Verschlussring ein Kippen um eine von der Längsachse verschiedenen Achse erzwungen. Durch diese Kippbewegung wird es insbesondere ermöglicht, dass ein an den Kugelschwenkmodul befestigter Kugelhals mit Kupplungskugel während des Schwenkvorgangs von der Betriebs- in die Ruheposition oder umgekehrt nicht mit dem Querrohr des Anhängerkupplungsträgers oder anderen Fahrzeugteilen kollidiert. Soll alternativ nur eine einzige Schwenkachse zur Anwendung kommen, so ist es unter Umständen erforderlich, dass an dem Querrohr zur Vermeidung der zuvor beschriebenen Kollision eine Eindrückung vorgenommen wird, die den Bauraum für das Schwenken bereitstellt. Bei dem Schwenken um eine Achse wäre bei dem Kugelschwenkmodul an den Kugelzapfen bzw. an der Kugel lediglich eine ebene Regelfläche notwendig. So kann über den Verschlussring, wenn dieser keine Ausnehmung aufweist zusätzlich oder auch in Alleinstellung ein Schwenken um eine Achse erzwungen werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Kugelschwenkmoduls ist in wenigstens einer Endlage ein mechanischer Endanschlag vorgesehen. Dieser Anschlag bewirkt, dass der zweite Teil des Kugelschwenkmoduls in der jeweiligen Endlage nicht weiter geschwenkt werden kann. Wenn bei dem Schwenkvorgang der zweite Teil, beispielsweise das Gehäuse einen Vorsprung Richtung Kugelzapfen aufweist, kann dieser Vorsprung mit einem weiteren Vorsprung an den Kugelzapfen zusammen wirken bzw. zur Anlage kommen, wenn die Endlage erreicht ist. Ist in der anderen Endlage am ersten Teil, in diesem Fall dem Kugelzapfen, ebenfalls ein Anschlag vorgesehen, so kann der zweite Teil zwischen diesen mechanischen Endlagen hin- und herschwenken und ist mechanisch begrenzt. Bezogen auf die Längsachse des Kugelzapfens bzw. des ersten Teils kann der Schwenkbereich etwa 180° betragen, vorzugsweise genau 180° betragen. Wenn der zweite Teil gegenüber dem ersten Teil mechanisch anschlägt, würde dieses, wie zuvor beschrieben, über den sich ändernden Geschwindigkeitsgradientwert detektiert, wobei die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes die Schwenkbewegung bzw. den Schwenkantrieb beenden würde.
Wenn auf einen Endanschlag verzichtet werden soll oder aus Bauraumgründen für diesen Endanschlag kein Platz vorhanden ist, so kann das Erreichen der Endlage auch durch einen Endlagensensor in der jeweiligen ersten oder zweiten Endlage erfasst werden. Der Endlagensensor kann aus einem Mikroschalter oder aus einem Taster oder sonstigen Kontakt bestehen, der innerhalb des Kugelschwenkmoduls angeordnet sein kann. Wenn der Endlagensensor an einem Kugelzapfen befestigt ist, so ist an dem Gehäuse beispielsweise ein Vorsprung vorgesehen, der den Mikroschalter oder Taster in der jeweiligen Endposition betätigt. Bei Betätigung ergeht ein Signal an die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes, die daraufhin den elektrischen Antrieb abschaltet. Ist nur ein Antrieb sowohl für das Schwenken des Kugelschwenkmoduls als auch für die Verriegelung des Kugelschwenkmoduls in der jeweiligen Endlage vorhanden, so wird die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes nach Erreichen der Endlage weiter betrieben, so dass die Verriegelung angetrieben wird. In dieser Bauform ist es von Vorteil, wenn in der Endposition der Verriegelung bzw. bei Erreichen einer gesicherten Verriegelung ebenfalls ein Endlagensensor vorhanden ist, der die sichere Verriegelung anzeigt. Alternativ kann die Verriegelung jedoch wie zuvor beim Schwenken bzw. Schwenkantrieb beschrieben ebenfalls über den Geschwindigkeitsgradientwert bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Kugelschwenkmoduls ist dem wenigstens einen elektrischen Antrieb und/oder der Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs ein Temperatursensor zugeordnet. Wie zuvor bereits gesagt, ist der Vorteil der Ermittlung von Endlagen bzw. Hindernissen im Schwenkbereich mittels eines Geschwindigkeitsgradienten darin zu sehen, dass der Gradient unabhängig vom aktuellen Stromwert den gleichen Wert besitzt. Aus diesem Grunde kann der Motor über den gesamten vorgesehenen Temperaturbereich mit konstanter Drehzahl betrieben werden, ohne dass es z. B. bei geringer Temperatur vorzeitig zum Stillstand der Schwenkeinheit kommt oder bei sehr hoher Temperatur ein Klemmschutz nicht mehr gewährleistet ist. Zur Sicherheit des Gesamtsystems und bei Temperaturbereichen, die außerhalb der für den Motor bzw. den elektrischen Antrieb vorgesehenen Spezifikationen liegt, ist es von Vorteil, wenn in dem elektrischen Antrieb ein Temperatursensor vorhanden ist. Dieser ist mit der Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs verbunden (drahtgebunden oder drahtlos) so dass bei einer übermäßigen (zu hohen oder zu niedrigen) Temperatur kein Ver- oder Entriegeln bzw. Schwenken erfolgt, so dass das Gesamtsystem nicht beschädigt werden kann. Als Temperatursensor kann ein üblicher, aus dem Stand der Technik bekannter, Sensor zur Anwendung kommen.
Bezogen auf die zusätzliche Temperaturermittlung bei einem Kugelschwenkmodul für eine Anhängerkupplung kann das Temperatursignal betreffend die Umgebungstemperatur des Fahrzeuges, die somit auch der Einsatztemperatur des Kugelschwenkmoduls bzw. eines Schwenkantriebes oder Verriegelungsantriebes entspricht, aus dem bei einem Fahrzeug vorhandenen Temperatursignal gespeist werden. Das Temperatursignal kann somit der Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes insbesondere über ein im Fahrzeuginformationssystem oder Fahrzeugbussystem vorhandenes Temperatursignal zugeführt werden. Als Fahrzeugbussystem kommt beispielsweise der Can-Bus in Frage. Der Can-Bus ist im gesamten Fahrzeug vorhanden und es kann über eine Verbindung des Kugelschwenkmoduls mit dem Can-Bus diesem bzw. der Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs für das Kugelschwenkmodul ein Temperatursignal zugeführt werden. Es sind auch weitere sinnvolle Daten aus dem Can-Bus nutzbar, die einen sicheren Betrieb des Kugelschwenkmoduls gewährleisten. So kann dem Bussystem entnommen werden, ob beispielsweise der Motor läuft oder das Fahrzeug in Bewegung ist, um in diesen Zuständen eine Ver- oder Entriegelung bzw. einen Schwenkantrieb zu unterbinden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des Kugelschwenkmoduls ist dem wenigsten einen elektrischen Antrieb ein Getriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe, zugeordnet. Wenn aus bauraumtechnischen Gründen für das Kugelschwenkmodul ein mit Bezug auf seine Außenmaße relativ kleiner Motor verwendet wird, so kann mittels des Getriebes das für das Schwenken bzw. das Verriegeln erforderliche Drehmoment vorgesehen werden. Bei dem Getriebe kann es sich um ein Schneckengetriebe handeln, vorzugsweise wird jedoch ein Planetengetriebe vorgesehen, da dieses ein hohes Drehmoment übertragen kann, bei gleichzeitig vorhandenem ruhigen Lauf und geringer Geräuschentwicklung. Motor und Getriebe des elektrischen Antriebs können in einem Gehäuse untergebracht sein oder die jeweiligen Gehäuse sind miteinander z. B. über eine Flanschverbindung verschraubt. Die Motorgetriebeeinheit kann in das Kugelschwenkmodul integriert sein oder aber an dem Verbinder bzw. Querrohr befestigt sein. Die Getriebeantriebseinheit kann alleine für das Schwenken des Gehäuses gegenüber der Kugel bzw. Kugelzapfen vorgesehen sein, oder aber umgekehrt. Bevorzugt ist der einzige Antrieb jedoch so ausgelegt, dass dieser mit seinem Getriebe neben der Schwenkbewegung auch die Verriegelung des zweiten Teils des Kugelschwenkmoduls mit dem ersten Teil bewerkstelligt. Sowohl die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs als auch der elektrische Antrieb mit seinem Getriebe selbst, sind daher vorteilhafter Weise so ausgelegt, dass sowohl vor Verlassen der Endlage elektrisch betrieben entriegelt wird als auch nach Erreichen der Endlage, also nach Beenden des Schwenkvorgangs, ein Verriegeln des Gehäuses gegenüber dem Zapfen bewerkstelligt werden kann.
In einer alternativen Ausführung sind für die Ver- und Entriegelung und für die Schwenkbewegung jeweils separate Getriebe mit eigenständigen Getriebeeinheiten vorgesehen. In dem Fall wäre die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes so ausgestaltet, das sie zum einen die Ver- und Entriegelung und in Abhängigkeit davon die Schwenkbewegung kontrollieren und steuern kann. Eine Bestimmung der abgeschlossenen Ver- bzw. Entriegelung bzw. des Erreichens der jeweiligen Endlage bzw. eine Hinderniserkennung wird ebenfalls über die Geschwindigkeitsgradientwertbestimmung vorgenommen. Zusätzlich oder alternativ können für die Ver- oder Entriegelung als auch für die Endlagenerkennung Sensoren vorgesehen sein. Auch kann für das Erkennen des sicheren Erreichens einer Ver- und Entriegelung ein jeweiliger Sensor vorgenommen sein, wenn für die Erkennung der Endlagen bzw. zur Hinderniserkennung die Geschwindigkeitsgradientwertermittlung eingesetzt wird. Bei Einsatz eines Planetengetriebes kann zudem die Endlagenerkennung auch über eine entsprechende Sensorik oder über entsprechende Endlagen in dem Planetengetriebe bzw. einem alternativen Getriebe vorgesehen sein.
Wird das Getriebe als selbsthemmendes Getriebe ausgelegt, so kann in diesem Fall auf eine separate Ver- oder Entriegelung des ersten Teils gegenüber dem zweiten Teil verzichtet werden. Die Verriegelung in einer oder beiden Endlagen wird dann durch die Selbsthemmung des Getriebes sichergestellt. Eine zusätzliche Sperre, insbesondere eine Magnetsperre, kann vorgesehen sein. So kann das Getriebe zwar selbsthemmend sein, aber bei dynamischer Belastung kann durch die zuvor beschriebenen Umstände aufgrund von auf das Kugelschwenkmodul mit seinem Getriebe wirkenden Rüttelbewegungen es zu einem Verlassen der Endlage(n) kommen. In dem Fall wirkt eine Endlagensperre beispielsweise in Form eines Elektromagneten, der z. B. vorteilhafter Weise stromlos über eine Feder sichert, aber ein eigenständiges Bewegen des Planetengetriebes oder eines sonstigen Getriebes formschlüssig verhindert.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anhängerkupplung mit einem Kugelschwenkmodul mit zumindest einer der zuvor beschriebenen Führungsform. Die Anhängerkupplung besteht dabei aus einer Kugelstange, auch Kugelhals genannt, mit endseitig angeordneter Kupplungskugel, wobei anderenends eine Verbindung des Kugelhalses mit dem zweiten Teil, z. B. dem Gehäuse besteht. Der Kugelhals kann über eine formschlüssige Verbindung, z. B. mittels mehrfacher Verschraubung mit dem Gehäuse verbunden sein. Alternativ kann der Kugelhals mit dem Gehäuse auch einstückig ausgebildet sein. Sollte das Gehäuse fahrzeugfest angeordnet sein, so ist in dem Fall der Kugelhals form- und/oder stoffschlüssig mit dem Kugelzapfen verbunden. Alternativ ist es auch denkbar, wenn der Kugelhals und der Kugelzapfen einstückig ausgebildet sind.
Wie zuvor zum Kugelschwenkmodul bereits beschrieben, ist die Anhängerkupplung über den ersten Teil gegenüber der Karosserie festgelegt. Die Anhängerkupplung ist dabei insbesondere mittels eines Anhängerkupplungsträgers mit der Karosserie verbunden, vorzugsweise mittels eines Verbinders an einem Querträger des Anhängerkupplungsträgers, festgelegt. Bei Ausbildung einer Anhängerkupplung mit einem Kugelschwenkmodul ist sicherzustellen, dass die etwa in Richtung der Fahrzeughochachse wirkenden Stützlasten als auch die Anhängelasten bzw. vornehmlich in Längsrichtung wirkenden Bremslasten, die bei Verzögerung des Zugfahrzeugs auftreten, von der Anhängerkupplung mit Kugelschwenkmodul und dem Anhängerkupplungsträger aufgenommen werden können.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines Kugelschwenkmoduls für eine Anhängerkupplung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei der zweite Teil gegenüber dem ersten Teil des Kugelschwenkmoduls elektrisch angetrieben von der jeweiligen ersten Endlage in die zweite Endlage bewegt wird, wobei der zweite Teil gegenüber dem ersten Teil unmittelbar vor Verlassen der jeweiligen Endlage elektrisch angetrieben entriegelt und/oder nach Erreichen der jeweiligen Endlage elektrisch angetrieben verriegelt wird, wobei das Erreichen der Endlage und/oder eines Hindernisses im Schwenkbereich zwischen den Endlagen und/oder die Ver- und/oder Entriegelung durch die Ermittlung eines Geschwindigkeitsgradienten des elektrischen Antriebs bestimmt wird.
Das Verfahren soll grundsätzlich den sicheren Betrieb eines Kugelschwenkmoduls für eine Anhängerkupplung sicherstellen, so dass zum einen eine vollautomatische und vollelektrische und somit komfortable Anhängerkupplung bereitgestellt wird. Auf der anderen Seite sind Sicherheitsaspekte wie Einklemmschutz von essentieller Bedeutung bei einer vollautomatisch schwenkbaren Anhängerkupplung. Eine Fehlbedienung soll ausgeschlossen sein und es soll im laufenden Betrieb durch den elektrischen Antrieb Schaden an der Anhängerkupplung bzw. dem Kugelschwenkmodul als auch an Personen und/oder Gegenständen, die sich im Schwenkbereich der Anhängerkupplung befinden, verhindert werden. Insbesondere soll es zu keinem Einklemmen oder sonstigen Verletzungen von Gliedmaßen des Bedieners oder weiteren Personen kommen können. Gleichzeitig soll insbesondere in der Betriebsposition, die eine Endlage darstellt, wie zuvor bereits beschrieben, entsprechende Anhängelasten und Bremslasten des Anhängers sicher aufgenommen werden können.
In einer vorteilhaften Ausbildung ist dem Kugelschwenkmodul eine Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs zugeordnet, die während des Schwenkvorgangs den Geschwindigkeitsgradienten bestimmt, und mit einer Geschwindigkeitsgradientwert – Kennlinie des elektrischen Antriebs verglichen wird, die in der Einrichtung in einer Vergleichseinheit gespeichert ist. Dabei stellt die Kennlinie keine Schwelle im Sinne einer Drehmomentschwelle dar, die erst überschritten werden muss, damit eine Reaktion der Einrichtung erfolgen kann, die z. B. ein Abschalten des elektrischen Antriebs zur Folge hat. Die Kennlinie gibt in Bezug auf den reinen Schwenkvorgang und/oder den Ent- oder Verriegelungsvorgang die jeweilige Steigung des Motorstromes zur vorgegebenen Zeit an. In den festgelegten Intervallen, die z. B. alle 10-Millisekunden betragen, wird die aktuell ermittelte Steigung mit der in der Kennlinie gespeicherten Steigung verglichen, dass bereits bei Erreichen des jeweiligen Kennlinienwertes die Einrichtung entsprechend reagieren kann.
Bevorzugt wird der zweite Teil gegenüber dem ersten Teil unmittelbar vor Verlassen der jeweiligen Endlage elektrisch angetrieben entriegelt und/oder unmittelbar nach Erreichen der jeweiligen Endlage elektrisch angetrieben verriegelt.
In bevorzugter Weise wird das Erreichen der Entriegelungs- und/oder Verriegelungsposition durch die Ermittlung eines Geschwindigkeitsgradienten des elektrischen Antriebs bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird bei Erreichen einer End- und/oder Verriegelungsposition und/oder Endlage und/oder eines Hindernisses im Schwenkbereich der Schwenkvorgang unterbrochen, insbesondere der elektrische Antrieb vorzugsweise durch die Einrichtung abgeschaltet und/oder bei einem Hindernis der Schwenkvorgang mit Richtungsumkehr fortgesetzt, insbesondere bis zum Erreichen der Ausgangsendlage.
Ausgehend von den Endlagen in Ruheposition und/oder Betriebsposition kann die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes, ausgelöst durch beispielsweise einen Tastendruck des Bedieners, den elektrischen Antrieb in Gang setzen, der zunächst eine Entriegelung des Kugelschwenkmoduls durchführt. Während der Entriegelung wird in festgelegten Intervallen der Geschwindigkeitsgradientwert des elektrischen Antriebs ermittelt und mit einer Kennlinie verglichen. Bei Erreichen der sicheren Entriegelungsposition bewirkt die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs ein Schwenken, so dass dieser den Schwenkvorgang von der aktuellen Endlage in die nächste Endlage ausführt. Dabei wird während des gesamten Schwenkvorgangs der aktuell in Intervallen ermittelte Geschwindigkeitsgradientwert mit der Geschwindigkeitsgradientwert-Kennlinie in der Vergleichseinheit der Einrichtung verglichen. Der Schwenkvorgang wird solange ausgeführt, bis die nächste Endlage erreicht ist, oder aber ein mögliches Hindernis detektiert wird, falls der im Schwenkbereich durch die Kennlinie festgelegte Geschwindigkeitsgradientwert erreicht wird. Wenn der Schwenkvorgang zu Ende ausgeführt werden kann, d. h. die nächste Endlage erreicht wird, wird anschließend eine Verriegelung des Kugelschwenkmoduls durch den elektrischen Antrieb vorgenommen. Sowohl das Erreichen der Endlage als auch das Erreichen einer sicheren Verriegelungsposition wird durch die Ermittlung des Geschwindigkeitsgradienten sichergestellt.
Sollte sich im Schwenkbereich zwischen den Positionen bzw. Endlagen ein Hindernis befinden, so wird dieses dadurch angezeigt, dass die in der Vergleichseinheit gespeicherten Geschwindigkeitsgradientwerte (Kennlinie) von der aktuellen Geschwindigkeitsgradientwertermittlung bereits erreicht werden, bevor der Schwenkvorgang abgeschlossen ist. In dem Fall unterbricht die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs den elektrischen Antrieb und ermöglicht gegebenenfalls durch die Richtungsumkehr des Antriebs ein Verschwenken des Kugelschwenkmoduls in die Ausgangsendlage.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wertet die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes vor- und während des Schwenk- und/oder Verriegelungsvorgangs ein Temperatursignal aus, das der Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes zugeführt wird. Über das Temperatursignal kann eine alternative Kennwertlinie herangezogen werden, die der Umgebungstemperatur entspricht oder die bestehende Kennwertlinie kann in Abhängigkeit zu dieser Kennwertlinie angehoben oder abgesenkt werden. Mögliche Auswirkungen wie z. B. der steigenden Viskosität von Schmiermittel bei tiefen Temperaturen können dadurch noch vorteilhafter berücksichtigt werden, da der Geschwindigkeitsgradientwert noch feiner abgestuft ermittelt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Heckteils eines Fahrzeuges mit schwenkbarer Anhängerkupplung;
2 eine perspektivische Ansicht eines Anhängerkupplungsträgers mit montiertem Kugelschwenkmodul und Anhängerkupplung;
2a–2b perspektivische Ansicht eines Kugelschwenkmoduls mit montierter Anhängerkupplung an einem Querrohr in Betriebs- und Ruheposition;
3 eine weitere perspektivische Ansicht eines Anhängerkupplungsträgers mit Kugelschwenkmodul und Anhängerkupplung;
4 eine teilgeschnittene Ansicht eines Kugelschwenkmoduls montiert an einem Verbinder mit einem Kugelschwenkmodul montierter Anhängerkupplung;
5 eine Ansicht in Schnittdarstellung eines Zapfens mit Verriegelungsmechanismus;
6 ein Diagramm, mit einer Geschwindigkeit aufgetragen über der Zeit.
1 stellt den bekannten Stand der Technik dar und zeigt in Teilansicht schematisch ein Heck eines Fahrzeuges mit rückwärtig montierter Anhängerkupplung 16. Die Anhängerkupplung kann von einer Betriebsstellung B in einer Ruhestellung R verschwenkt werden, wobei um eine einzige Achse 22 geschwenkt wird.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anhängerkupplung 16, die an einem Anhängerkupplungsträger 16a befestigt ist. Die Anhängerkupplung 16 besteht aus einem Kugelhals 2 mit Kupplungskugel 1 und ist an der rückwärtigen Seite des Kugelschwenkmoduls 14 montiert. Das Kugelschwenkmodul 14 ist über einen Verbinder 12 mit einem Querträger 7 des Anhängerkupplungsträgers 16a verbunden. Der Querträger 7 weist an seinen Enden jeweils einen Längsträger 8, die in der gezeigten Variante stoffschlüssig mit diesem verbunden sind. Gezeigt ist des Weiteren ein Gehäuse 17 welches mit dem Verbinder 12 verbunden ist und eine Einrichtung zum Betreiben eines elektrischen Antriebes S sowie Auswerte- bzw. Vergleichseinheit V beinhaltet. Dem elektrischen Antrieb ist ein Temperatursensor T zugeordnet.
Nicht in 2 ersichtlich ist ein elektrischer Antrieb, der ebenfalls in dem Gehäuse 17 verbaut ist, und dem Antrieb des Kugelschwenkmoduls bzw. der schwenkbaren Anhängerkupplung dient. In der 2 ist die Anhängerkupplung in der Betriebsposition B gezeigt. In dieser Stellung ist die Anhängerkupplung betriebsbereit und ein Zugfahrzeug kann einen Anhänger ziehen, der mit einer Kupplungskugelaufnahme auf der normierten Kupplungskugel 1 aufgesetzt und dort drehbar verriegelt werden kann.
2a zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Kugelschwenkmoduls 14 welches mit einem Zapfen bzw. Kugelzapfen (erster Teil, 4) an dem Querträger 7 festgelegt ist. Auf dem Zapfen 4 ist ein Gehäuse (zweiter Teil, 3) schwenkbeweglich gelagert. In dem Gehäuse des Kugelschwenkmoduls oder diesem zugeordnet ist eine Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebes S. Ebenfalls gezeigt ist ein Dichtungsbalg 13, der einerseits am Gehäuse 3 und anderseits am Zapfen 4 formschlüssig anliegt. Da es sich bei dem Kugelschwenkmodul 14 um ein Kugelgelenk handelt, ist der Dichtungsbalg 13, wie bei Kugelgelenken üblich, aus Gründen des Korrosionsschutzes angelegt, so dass während des Betriebes keine Flüssigkeiten oder aber Schmutzpartikel zwischen die Kugel und die am Ende des Zapfens 4 in dem Gehäuse 3 befindliche kugelige Gleitlagerfläche gelangen können.
Eine Anhängerkupplung 16 bestehend aus einem Kugelhals 2 mit endseitig stoffschlüssig befestigter Kupplungskugel 1 ist an dem Gehäuse 3 formschlüssig über eine Schraubverbindung mit den Schrauben 5 festgelegt. Die 2a zeigt die Anhängerkupplung mit ihrem Schwenkmodul in der Betriebsposition.
Die 2b zeigt dieselben Bauteile, wobei die Anhängerkupplung 16 mit dem Kugelschwenkmodul 14 in Ruheposition R dargestellt ist. Aus den 2, 2a sowie 2b ist ersichtlich, das die Längsachsen 9 sowohl des ersten Teils, also des hier gezeigten Zapfens 4, als auch des zweiten Teils, also des Gehäuses 3, auf einer Linie liegen. Dies zeigt, dass in der Betriebsposition B und in der Ruheposition R auf einer gemeinsamen Längsachse 9 liegen. Die Darstellung in den 2, 2a sowie 2b könnten somit auch eine einzige Schwenkachse darstellen, für den Fall, dass das Kugelschwenkmodul und damit auch die Anhängerkupplung nur um eine einzige Schwenkachse schwenkbar ist.
3 zeigt wiederum eine perspektivische Ansicht des Kugelschwenkmoduls 14 mit daran verschraubter Anhängerkupplung 16. Auch in der 3 ist dieselbe Festlegung des Zapfens 4 an dem Querträger 7 gezeigt, wobei der Querträger 7 ebenfalls endseitig Längsträger 8 aufweist, mit denen eine Verbindung zur Karosserie hergestellt werden kann. Das Kugelschwenkmodul 14 mit am Gehäuse 3 befestigter Anhängerkupplung 16 ist in dieser Figur jedoch in einer Zwischenstellung dargestellt. Die Kupplungskugel 1 ist am Weiterdrehen von der strichliniert gezeigten Ruhelage R in die Betriebslage B durch ein Hindernis H gehindert.
Es ist der 3 deutlich entnehmbar, dass neben der ersten Schwenkachse 9, die der Längssachse des Zapfens 4 entspricht, eine weitere zweite Schwenkachse 10 vorhanden ist, die der Längsachse des Gehäuses 3 entspricht. Es ist deutlich erkennbar, dass die erste Schwenkachse 9 und die zweite Schwenkachse 10 einen Winkel β zueinander bilden. Dies ist dadurch zu erklären, dass ausgehend von der 2b, also der Ruheposition R der Anhängerkupplung 16 bzw. des Kugelschwenkmoduls 14, die Schwenkbewegung des Gehäuses 3 um den Zapfen 4 zunächst um die erste Schwenkachse 9 ausgeführt wird. Das heißt für den ersten Teil der Schwenkbewegung des Gehäuses 3 um den Zapfen 4 gibt es lediglich eine gemeinsame Schwenkachse. Da in der vorliegenden Ausführungsform am Boden der Kugel 4a (s. 4) eine nichtebene Regelfläche vorhanden ist und an dem Verschlussring 29 zusätzlich eine Ausnehmung vorhanden ist (nicht gezeigt), ist das Gehäuse 3 gezwungen, nach anfänglicher Drehbewegung um die erste Schwenkachse 9 bzw. Längsachse 9 des Zapfens 4 eine Kippbewegung um die zweite Schwenkachse 10 auszuführen, wobei das Drehen um die Achse 9 und das Kippen um die Achse 10 bei Beginn des Kippens etwa zeitgleich erfolgt, bis die Regelfläche an der Kugel 4a und der Verschlussring 29 ein weiteres Kippen um die zweite Schwenkachse 10 verhindern.
In 3 ist der Winkel β maximal, das heißt die Kippbewegung des Gehäuses 3 gegenüber dem Zapfen 4 ist maximal dargestellt. In der gezeigten Darstellung trifft während des Schwenkvorganges von der Ruheposition R die Kupplungskugel 1 auf das Hindernis H. Die in der 3 nicht gezeigte Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs ermittelt während des Schwenkvorganges in Intervallen (10 ms) fortwährend den Geschwindigkeitsgradientwert des elektrischen Antriebes. Beim Auftreffen auf ein Hindernis wie hier gezeigt, würde der in der Vergleichseinheit V gespeicherte Geschwindigkeitsgradientwert des elektrischen Antriebes erreicht und die Einrichtung S würde den elektrischen Antrieb unterbrechen und umkehren, um die Anhängerkupplung 16 bzw. die Kugelstange 12 in die Ausgangslage bzw. hier Ruheposition R zurückbewegen.
In der 3 ist ebenfalls ein Schwenkbereich 11 gezeigt. Es ist erkennbar, dass durch die kombinierte Dreh-Kippbewegung ein geringerer Bauraum benötigt wird, als dieses bei einem einfachen Schwenken um eine Achse gemäß Stand der Technik (1) ermöglicht ist.
In der 4 ist das Kugelschwenkmodul 14 mit einer an dem Gehäuse 3 verschraubten Anhängerkupplung 16 gezeigt. Das Kugelschwenkmodul ist mit seinem Zapfen 4 an einem Verbinder 12 kraftschlüssig festgelegt. Das Kugelgelenk 14 ist dabei in seiner perspektivischen Ansicht teilgeschnitten dargestellt. Der Zapfen 4 weist ein durchgehendes Loch auf, in welchem ein Sperrbolzen 23 linear verschieblich gelagert ist. Der Sperrbolzen 23 kann gegenüber dem Zapfen 4 linear verlagert werden. Der Antrieb erfolgt über ein Zahnrad 30 erfolgt, dass auf dem Zapfen 4 drehbar gelagert ist. Über den elektrischen Antrieb 28 wird das Zahnrad gedreht und bewegt über eine Gewindeverbindung die Spindel 31. In der gezeigten Ausführungsform ist der elektrische Antrieb 28 in dem Verbinder 12 realisiert. 4 stellt die Anhängerkupplung 16 bzw. das Kugelschwenkmodul 14 in der Betriebsposition B dar. Es ist auch hier erkennbar, dass die Längsachse des Gehäuses 3 und die Längsachse des Zapfens 4 in dieser Position auf einer Linie bzw. auf der ersten Schwenkachse 9 liegen. Die hier gezeigte Ausführungsform weist ebenfalls einen Dichtungsbalg 13 auf, wobei dieser das gesamte Gehäuse überdeckt und somit einen vorteilhaften Korrosionsschutz auch des Gehäuses bietet. Eine etwaige Beschichtung des Gehäuses gegen Korrosion kann entfallen.
Ein mechanischer Anschlag 21 des Gehäuses 3 liegt an einem Anschlagelement 21a des Verbinders 12 an. In der in 4 gezeigten Ausführungsform kann das Kugelschwenkmodul nicht weiter schwenken. Das Erreichen der Betriebsposition B ist somit durch diese mechanische Begrenzung gegeben. Wenn der elektrische Antrieb das Gehäuse 3 und somit die Anhängerkupplung 16 in diese Position geschwenkt hat, wird der mechanische Anschlag durch die Einrichtung zum Betreiben des elektrischen Antriebs detektiert, da bei Erreichen des mechanischen Anschlages der Geschwindigkeitsgradientwert des elektrischen Antriebes den in der Vergleichseinheit V gespeicherten Wert erreicht. Die Einrichtung S würde den elektrischen Antrieb 28 in dieser Position (Betriebsposition B) schalten und/oder den nächsten Schritt einleiten, welcher in der gezeigten Ausführungsform dem Antrieb des Zahnrads 30 zum Verfahren des Sperrbolzens 23 über die Spindel 31 in die Verriegelungsposition gleich kommt.
In 5 ist in einer geschnittenen Ansicht der Zapfen 4 ohne Kugel 4a jedoch mit weiteren Elementen dargestellt. Es ist der Verriegelungsmechanismus 4b gezeigt, der neben dem schon aus 4 Sperrbolzen 23 eine Spindel 31 und ein Zahnrad 30 aufweist. Wird, wie zuvor gesagt, der Sperrbolzen mittels des elektrischen Antriebes in eine untere Position Richtung Gehäuse 3 gefahren, so trifft die Schräge 24 auf ein Verriegelungselement 25 wodurch das Verriegelungselement 25 in Bezug auf die Längsachse 32 radial von dieser wegbewegt wird. Der Verriegelungskörper 25 wirkt mit nicht dargestellten Verriegelungstaschen in dem Gehäuse 3 formschlüssig zusammen, so dass in der verriegelten Position das Gehäuse 3 die Anhängerkupplung 16 verdrehfest und spielfrei gegenüber dem Zapfen 4 und somit über die genannten Verbindungsbauteile mit der Karosserie in fester und für den Anhängebetrieb belastbarer Position festgelegt ist.
5 zeigt des Weiteren einen Endlagensensor 20 in Form eines Tasters, der mit der Aussparung 33 an der Spindel 31 zusammenwirkt. Die schematische Darstellung zeigt, dass bei einer Relativbewegung der Spindel 31 gegenüber dem Zapfen 4 der Endlagensensor 20 betätigt werden kann, wenn die Spindel in ihre Endpositionen gefahren wird. Über einen derartigen Endlagensensor ist eine sichere Abfrage der Verriegelung- bzw. Entriegelungsposition erfassbar. Die Möglichkeit der sensorischen Erfassung der Position der Verriegelung kann gleichermaßen auch zwischen Zapfen 4 und Gehäuse 3 eingesetzt werden. Es kann somit durch die Geschwindigkeitsgradientwertermittlung eine Erfassung der Endlagen der Schwenkbewegung erfolgen und zusätzlich die Erfassung der sicheren Ver- bzw. Entriegelung innerhalb des Kugelschwenkmoduls.
Alternativ bzw. zusätzlich kann mittels der Sensorik auch die jeweilige Schwenkposition abgefragt werden. Falls im Kugelschwenkmodul eine derartige zusätzliche sensorische Abfrage gewünscht ist, kann auf den mechanischen Anschlag 21 bzw. das Anschlagelement 21a wie in 4 dargestellt, verzichtet werden.
In 6 ist ein Diagramm dargestellt, in dem die Winkelgeschwindigkeit v in Meter per Sekunde (m/s) über die Zeit t in Sekunden aufgetragen ist. Auf der Zeitachse t ist ein Schwenkvorgang SV_H abgebildet. Oberhalb der Zeitachse t ist eine Kennlinie des Geschwindigkeitsgradienten K_mot dargestellt, wobei diese Kennlinie von der einen Endlage bis zum Auftreffen auf ein Hindernis dargestellt ist. Es ist erkennbar, dass zu Beginn des Schwenkvorganges die Geschwindigkeit zunächst ansteigt und sich dann über einen gewissen Zeitraum nicht ändert (Plateau) und beim Auftreffen auf das Hindernis (gekennzeichnet mit H) stark abnimmt. Beispielhaft ist eine Geschwindigkeitsgradientwertermittlung VG zum Zeitpunkt t_e dargestellt, wobei die längste Seite des dargestellten Dreiecks einen tangentialen Kontakt mit der Kennlinie aufweist. Es ist die exemplarische Ermittlung eines Geschwindigkeitsgradientwertes zum Zeitpunkt t_e dargestellt. Durch das Dreieck ist mit den Werten dv zu dt die Geschwindigkeitsgradientwertermittlung über die Steigung gezeigt. In dem Diagramm ist ebenfalls eine Drehmomentschwelle SW gezeigt, wobei ersichtlich ist, dass zu jedem Zeitpunkt t diese Schwelle sehr viel höher liegt als die Kennlinie K_mot.
Zum Zeitpunkt t_H liegt für den gezeigten Fall ein Hindernis vor. Der elektrische Antrieb bzw. Motor benötigt in diesem Punkt den größten Strom und kann das Gehäuse 3 gegenüber dem Zapfen 4 nicht weiter bewegen. Mit Blick auf die Hinderniserkennung im Schwenkbereich zwischen den Endlagen ist aus dem Diagramm gemäß 6 ersichtlich, das die Geschwindigkeit stark abnimmt. Der Plateaubereich der Geschwindigkeit liegt in diesem Bereich deutlich höher. Mittels der Geschwindigkeitsgradientwertermittlung liegt somit bei Auftreffen auf ein Hindernis plötzlich eine negative Beschleunigung vor. Als Reaktion wird der elektrische Antrieb entsprechend der tatsächlichen Situation ab- bzw. umgeschaltet.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, eine mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente der Erfindung zu bewirken.
Bezugszeichenliste

1: Kupplungskugel
2: Kugelstange, Kugelhals
3: zweiter Teil, Gehäuse
4: erster Teil, Zapfen, Kugelzapfen
4a: Kugel
4b: Verriegelungsmechanismus
5: Schraube
7: Querträger
8: Längsträger
9: erste Schwenkachse, Längsachse
10: zweite Schwenkachse, Längsachse
11: Schwenkbereich
12: Verbinder
13: Dichtungsbalg
14: Kugelschwenkmodul
15: Antriebswelle
16: Anhängerkupplung
16a: Anhängerkupplungsträger
17: Gehäuse
18: Zuleitung
19: Taster, Schalter
20: Endlagensensor
21: mechanischer Anschlag
21a: Anschlagelement
22: einzige Schwenkachse (Stand der Technik)
23: Sperrbolzen
24: Schräge
25: Verriegelungselement
26: Fahrbahnoberfläche
28: elektrischer Antrieb
29: Verschlussring
30: Zahnrad
31: Spindel
32: Längsachse
33: Aussparung
B: Betriebsstellung
R: Ruhestellung
S: Einrichtung zum Betreiben d. elektrischen Antriebs
F: Front, Fahrrichtung
H: Hindernis
T: Temperatursensor
V: Auswerte-, Vergleichseinheit
K_mot: Kennlinie Motorstrom
VG: Geschwindigkeitsgradientwert
SW: Drehmomentschwelle
SV_H: Schwenkvorgang
β: Winkel beta

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1535765 B1 [0002, 0004]

Claims

Kugelschwenkmodul für eine Anhängerkupplung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem ersten Teil (4) und einem gegenüber dem ersten Teil (4) zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten Endlage bewegbaren zweiten Teil (3), wobei die Bewegung des zweiten Teils (3) und/oder eine Ver- und/oder Entriegelung des zweiten Teils (3) gegenüber dem ersten Teil (4) durch wenigstens einen elektrischen Antrieb (28) bewirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (S) zum Betreiben des elektrischen Antriebs unter Berücksichtigung eines Geschwindigkeitsgradienten (VG) vorgesehen ist.
Kugelschwenkmodul für eine Anhängerkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die Einrichtung (S) den Geschwindigkeitsgradienten (VG) in Intervallen ermittelt, insbesondere während des Betriebs des elektrischen Antriebs (28), und die Einrichtung (S) eine Vergleichseinheit (V) aufweist, um den von der Einrichtung (S) ermittelten Geschwindigkeitsgradienten (VG) mit einer in der Vergleichseinheit (V) gespeicherten Geschwindigkeitsgradient-Kennlinie zu vergleichen.
Kugelschwenkmodul für eine Anhängerkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (S) den elektrischen Antrieb (28) unterbricht, abschaltet und/oder die Richtung des elektrischen Antriebs (28) umkehrt, wenn die Ver- und/oder Entriegelung oder wenigstens eine der Endlagen (R, B) erreicht ist und/oder ein Hindernis (H) im Bewegungsbereich (11) zwischen den Endlagen (R, B) erreicht ist.
Kugelschwenkmodul nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil aus einem Zapfen (4) und der zweite Teil aus einem Gehäuse (3) gebildet ist.
Kugelschwenkmodul nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (3) gegenüber dem ersten Teil (4) um wenigstens eine Achse (9) schwenkbar ist.
Kugelschwenkmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Endlage (R, B) ein Endlagensensor (20) vorgesehen ist.
Kugelschwenkmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen elektrischen Antrieb (28) und/oder der Einrichtung (S) ein Temperatursensor (T) zugeordnet ist.
Kugelschwenkmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung (S) ein im Fahrzeug vorhandenes Temperatursignal (T), insbesondere über ein Fahrzeuginformationssystem oder Fahrzeugbussystem, zuführbar ist.
Kugelschwenkmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem wenigstens einen elektrischen Antrieb (28) ein Getriebe, vorzugsweise ein Planetengetriebe, zugeordnet ist.
Anhängerkupplung mit einem Kugelschwenkmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zapfen (4) oder das Gehäuse (3) gegenüber der Karosserie, insbesondere mittels eines Anhängerkupplungsträgers, festgelegt ist.
Anhängerkupplung mit einem Kugelschwenkmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem zweiten Teil (3), ausgebildet als Zapfen (4) oder Gehäuse (3), eine Kugelstange (2) zugeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kugelschwenkmoduls nach einem der Ansprüche von 1–9 für eine Anhängerkupplung nach einem der Ansprüche von 10–11, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teil (3) gegenüber dem ersten Teil (4) des Kugelschwenkmoduls (14) elektrisch angetrieben von einer jeweiligen ersten Endlage in eine zweite Endlage bewegt wird, wobei der zweite Teil (4) gegenüber dem ersten Teil (3) unmittelbar vor Verlassen der jeweiligen Endlage (R, B) elektrisch angetrieben entriegelt und/oder unmittelbar nach Erreichen der jeweiligen Endlage (R, B) elektrisch angetrieben verriegelt wird, wobei das Erreichen der Endlagen (R, B) und/oder eines Hindernisses (H) im Schwenkbereich (11) zwischen den Endlagen (R, B) und/oder die Ver- und/oder Entriegelung aufgrund eines Geschwindigkeitsgradienten (VG) des elektrischen Antriebs (28) bestimmt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kugelschwenkmoduls für eine Anhängerkupplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Kugelschwenkmodul (14) zugeordnete Einrichtung (S) zum Betreiben des elektrischen Antriebs (28) während des Schwenkvorgangs den Geschwindigkeitsgradienten (VG) bestimmt und mit einer Geschwindigkeitsgradient-Kennlinie des elektrischen Antriebs verglichen wird, die in der Einrichtung (S) in einer Vergleichseinheit (V) gespeichert ist und/oder speicherbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kugelschwenkmoduls für eine Anhängerkupplung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer Ent-/Verrieglungsposition und/oder einer Endlage (R, B) oder eines Hindernisses (H) im Schwenkbereich der Schwenkvorgang unterbrochen, insbesondere der elektrische Antrieb (28), insbesondere durch die Einrichtung (S), abgeschaltet wird und/oder bei einem Hindernis (H) der Schwenkvorgang mit Richtungsumkehr fortgesetzt wird, insbesondere bis zum Erreichen der Ausgangsendlage.
Verfahren zum Betreiben eines Kugelschwenkmoduls für eine Anhängerkupplung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (S) vor und/oder während des Schwenk- und/oder Verriegelungsvorgangs ein Temperatursignal (T) auswertet, das der Einrichtung (S) zum Betreiben des elektrischen Antriebs zugeführt wird.